Co je hmota? 

Od starověkého Řecka po atomovou teorii

Elektřina je vlastností hmoty. Ale co vlastně hmota je? Tuto otázku si kladli už starověcí filozofové. V antickém Řecku existovaly dva hlavní názory. Jeden směr věřil, že hmota je nekonečně dělitelná, zatímco druhý zastával myšlenku, že hmota se skládá z nedělitelných částic, kterým říkali „atomos“ – neboli atomy. Ačkoliv tehdejší úvahy byly pouze spekulativní, položily základ pro to, co dnes nazýváme atomovou teorií.

Jak vznikla moderní atomová teorie

V 19. století chemik John Dalton udělal zásadní objev: různé prvky mají různou hmotnost, která je násobkem hmotnosti vodíku. Tento objev vedl k závěru, že materiály jsou složeny z nedělitelných stavebních bloků – atomů.

Tato teorie získala podporu, když botanik Robert Brown pozoroval pod mikroskopem náhodné pohyby pylových zrnek na hladině vody, což později Albert Einstein vysvětlil jako důsledek srážek s neviditelnými částicemi – atomy.

Objev elektronu a katodová trubice

Zásadní průlom přišel v roce 1897, kdy J.J. Thomson objevil elektron pomocí katodové trubice. Katodová trubice je skleněná trubice bez vzduchu ve které jsou různé elektrody na které je možné přikládat napětí. Pokud se na vstupní elektrody přivedlo napětí (v obrazku nalevo), proudil proud částic. Částice na konci trubice (v obrázku napravo) rozářili luminiscenční vrstvu. Pokud se na elektrody uprostřed trubice přiloží napětí, paprsek se ohnul, což bylo možné sledovat posunutím svítícího bodu na luminiscenční vrstvě. Z ohybu paprsku, Thomson odvodil, že paprsek tvoří záporně nabité částice, které jsou tisíckrát lehčí než atom vodíku. Tyto částice známe pod názvem elektron. Tento objev byl prvním krokem k pochopení složitější struktury atomu.

Katodová trubice nebyla důležitá jen pro vědecké objevy. Její princip vedl k vynálezům, které zásadně ovlivnily moderní svět – jako je televize nebo hmotnostní spektrometr. Právě díky hmotnostnímu spektrometru jsme se dozvěděli mnoho o hmotě kolem nás, včetně stáří Země nebo složení měsíčního povrchu.

Rutherfordův atom a protonový model

Na základě Thomsonova objevu elektronu byl vytvořen první model atomu. Thomson si ho představoval jako „pudink“, kde je kladný náboj rozprostřen a elektrony jsou do něj jakoby „zapíchané“. Tento model však narazil na vážné problémy. Pokud by totiž byl náboj rozprostřen kladný náboj po celém objemu atomu, byl by kladný náboj tak slabý, že by nemělo být pro vystřelené kladné částice problém atomem proletět. Při pokusech Ernsta Rutherforda s radioaktivním zářením se ukázalo, že kladný náboj je ve skutečnosti koncentrovaný v malém jádru atomu, protože vystřelované kladné částice tenkou vrstvou zlata pouze neprolétaly, ale také se odrážely od koncentrováného kladného náboje v centru atomu.

Rutherford šel ještě dál a v roce 1918, zářením odstřeloval dusík ve speciální komoře. Tímto odstřelováním byl schopen vytvořit v komoře kyslík a navíc zde bylo naví jedno jádro vodíku. Pomocí výpočtu hmotností jednotlivých částic, se byl schopen dobrat závěru, že jádro vodíku, je elementárním stavebním kamenem hmoty. Proto nazval jádro vodíku „první“ neboli proton. Tento objev vedl ke vzniku protonového modelu atomu, ale zároveň vyvolal nové otázky – například, proč se kladně nabité protony, které se navzájem odpuzují, v jádře nerozletí od sebe?

Objev neutronu a cesta k jaderné energii

Řešení otázky proč drží jádro pospolu navrhl opět Rutherford, předpokládal, že musí existovat částice bez elektrického náboje. Na základě rozdílů hmotností u prvků byl schopen správně předpovědět, že bude vážit přibližně jako proton. Potvrzení této hypotézy přinesl v roce 1932 James Chadwick, objevitel neutronu – částice bez elektrického náboje, která drží jádro atomu pohromadě. Tento objev otevřel dveře ke štěpení jader atomů a nakonec vedl k vývoji jaderné energie, která dnes patří mezi nejbezpečnější způsoby výroby čisté elektřiny.

Závěr

Cesta od starověkých filozofických úvah až po moderní jadernou fyziku ukazuje, jak hluboce lidstvo touží porozumět podstatě hmoty. Ačkoliv jsme od dob starověkých Řeků urazili dlouhou cestu, otázky o povaze hmoty a energie zůstávají jedněmi z nejdůležitějších, které si věda klade i dnes.